DE102014214530A1

DE102014214530A1 - Salzkerne und generative Fertigungsverfahren zur Herstellung von Salzkernen

Info

Publication number: DE102014214530A1
Application number: DE102014214530.9A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Hartig
Original assignee: Emil Mueller GmbH
Current assignee: Emil Mueller GmbH
Priority date: 2013-07-24
Filing date: 2014-07-24
Publication date: 2015-01-29
Also published as: EP3024609B1; WO2015011233A1; US20160158831A1; EP3024609A1

Abstract

Salzkern zur Herstellung von Gussteilen, dadurch gekennzeichnet, dass der Salzkern einen schichtweisen Aufbau aufweist, wobei der schichtweise Aufbau aus einzeln aufgebrachten und verfestigten Schichten eines Formstoffs besteht.

Description

Die Erfindung betrifft Salzkerne als Hohlraumplatzhalter in Gussteilen und/oder Kunststoffformteilen, sowie Verfahren zur Herstellung solcher Salzkerne. Insbesondere betrifft die Erfindung Salzkerne, die mittels generativer Verfahren hergestellt werden können.
Das bevorzugte Einsatzgebiet für solche Salzkerne sind sämtliche Gießverfahren für Leichtmetalle und Buntmetalle, Herstellverfahren für Kunststoffe und/oder kohlefaser- und glasfaserverstärkte Bauteile.
Im Rahmen dieser Erfindung werden unter Gussteilen nicht nur metallische, sondern auch alle anderen Bauteile, die durch Gießen oder Spritzgießen oder ähnliche Verfahren hergestellt werden und einen Gießkern benötigen umfasst. Insbesondere sollen auch spritzgegossene Kunststoffteile von diesem Begriff umfasst sein.
Bei vielen durch Gießen hergestellten Produkten ist es erforderlich Hohlräume im Inneren oder Hinterschneidungen im Außenbereich zu erzeugen. Bei den drucklosen Verfahren, wie beispielsweise dem Schwerkraftgießen, wird ein Kern aus verfestigtem Sand oder Salz innerhalb der Form positioniert und mit Metallschmelze umgossen. Dabei wird die Gießform gefüllt und der Kern mit Schmelze umschlossen.
Trockengepresste Salzkerne sind im Gießereiweisen seit Jahrzehnten im Einsatz. Dieses bekannte Fertigungsverfahren kommt für Produkte mit einfachen Geometrien zum Einsatz.
Ein weiteres Herstellungsverfahren für Salzkerne ist das Kernschießen. Durch Kernschießen können Salzkerne mit wesentlich komplexeren Geometrien prozesssicher hergestellt werden. Beide Verfahren, also das Trockenpressen und das Kernschießen, weisen den Nachteil auf, dass immer ein Urformwerkzeug benötigt wird. Die Herstellung von Urformwerkzeugen ist aufwendig, zeitintensiv und kostspielig. Weiterhin unterliegen Urformwerkzeuge einem Fertigungsverschleiß.
Außerdem ist eine Produktion von einteiligen Formen und Kernen mit hinterschnittigen Konturen formtechnisch nicht möglich.
Die Herstellung gepresster Kerne mit komplexen Geometrien ist nicht in einem Vorgang möglich, sondern kann nur durch nachgelagerte Prozessschritte erreicht werden.
Aufgabe der Erfindung ist die die Bereitstellung von Salzkernen mit komplexen Geometrien sowie eines Verfahrens zur Herstellung solcher Salzkerne.
Diese Aufgabe wird mit Salzkernen gemäß Anspruch 1 und einem Verfahren nach Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Gegenstands der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Demgemäß zeichnet sich ein erfindungsgemäßer Salzkern dadurch aus, dass er einen schichtweisen Aufbau aufweist. Dieser schichtweise Aufbau besteht aus oder umfasst einzeln aufgebrachte und verfestigte Schichten eines Formstoffs.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung von Salzkernen unterscheidet sich von aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren dadurch, dass die Salzkerne ohne die Verwendung von Urformwerkzeugen hergestellt werden können, indem schichtweise aufgebrachte Salzpartikel durch selektives Auftragen/Aufsprühen von Binder miteinander verbunden werden.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Salzkerne in einem Lösungsmittel löslich und insbesondere wasserlöslich.
Die erfindungsgemäßen Kerne umfassen einen Formstoff, vorzugsweise kristalline Salzpartikel, Binder sowie ggf. Hilfsstoffe wie Füllstoffe, Additive, Benetzungsmittel, Härter und Katalysatoren.
Die Salzkerne werden mittels eines generativen Fertigungsverfahrens hergestellt. Besonders bevorzugt wird das Verfahren des 3D-Druckens von Salz, bei welchem die Salzpartikel lokal, dem 3D-Datenmodell entsprechend, mit einer Binderflüssigkeit oder einem Härter verfestigt werden. In diesem Verfahren sind die Vorteile des Kernschießens und Trockenpressens miteinander verknüpft.

– Eine hohe Komplexität der Form/des Kerns ist durch den schichtenweisen Aufbau realisierbar; ebenso ist es möglich hohle Strukturen zu generieren.
– Für das 3D-Drucken der Salzkerne können kostengünstige und biologisch/ökologisch im Wesentlichen unbedenkliche Salze verwendet werden.
– Der Aufbau der einzelnen Salzpartikel zu einem Salzkern oder einer Form erfolgt hierbei durch ein computergesteuertes, selektives Aufsprühen/Auftragen von Binder oder Härter auf eine dünne Formstoffschicht, die auf einen Träger aufgebracht ist. Nach Verfestigung der Schicht, wird der Träger verfahren/abgesenkt und eine neue Formstoffschicht aufgebracht und wiederum mittels Binders/Härters verfestig. Für jede neu aufgetragene Formstoffschicht muss der selektive Auftrag des Binders wiederholt werden.
– Durch den schichtenweisen Aufbau und das lokale Auftragen des Binders entsteht kein Verzug am Bauteil.
– Die Porosität/Gasdurchlässigkeit der erzeugten Kerne/Formen kann gezielt eingestellt werden.
– Leichte und rückstandsfreie Entfernung der Kerne, da die Kerne ausschließlich aus wasserlöslichen Komponenten bestehen können.
– Hohe Flexibilität und Geschwindigkeit bei Kleinserien und Prototypen
– Keine Werkzeugkosten

Vorzugsweise wird für die hier beschriebenen Salzkerne kristallines Salz als Formstoff verwendet. Das kristalline Salz kann eine unimodale, aber auch bi- oder multimodale Korngrößenverteilung aufweisen. Eine bi- oder multimodale Korngrößenverteilung kann vorteilhaft in Hinblick auf eine besonders dichte Packung der Kristalle sein. Die in den erfindungsgemäßen Salzkernen vorhandene Porosität kann somit variiert werden. Die erfindungsgemäßen Salzkerne weisen eine Restporosität von weniger als 30%, bevorzugt von weniger als 5% und insbesondere bevorzugt von weniger als 2% bezogen auf das Gesamtvolumen des Salzkerns auf.
Wesentliche Auswahlkriterien für die zu verwendenden Salze sind deren Giftigkeit und Löslichkeit.
Es können beispielsweise Chloride, Sulfate, Phosphate oder Nitrate der Alkali-, Erdalkali- oder der Nebengruppenelemente oder Mischungen dieser Salze, insbesondere Natriumchlorid, Kaliumchlorid, Magnesiumchlorid und/oder Kaliumsulfat, Magnesiumsulfat, Ammoniumsulfat, Natriumsulfat als Salze bzw. Formstoff eingesetzt werden.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung solcher Salzkerne zeichnet sich dadurch aus, dass die Salzformen und Salzkerne schichtweise aufgebaut werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der Salzkern hohl gestaltet sein, wobei das Innere des Salzkerns leer sein oder gefüllt sein kann. Der hohle Salzkern kann bevorzugt mit dem unverfestigten Formstoff gefüllt sein.
Besonders bevorzugt besteht der Salzkern aus einer generativ erzeugten, verfestigten Randschale, währenddessen der von der verfestigten Randschale umschlossene, innere Formstoffanteil nicht verfestigt ist.
Der durch 3D-Drucken hergestellte Salzkern kann, zum Schließen oberflächennaher, offener Poren, mit einer wasserlöslichen Schlichte überzogen oder mit einer Salzschmelze infiltriert werden.
Es wurde gefunden, dass es möglich ist, eine Vielzahl von Funktionsteilen, die zur Herstellung von beispielsweise Getrieben, Antriebselementen, Pumpen, Kanälen und Rohrsystemen dienen, nicht erst nach Herstellung eines Hohlformkörpers in diesen einzubringen und zu montieren, sondern sie in einen wasserlöslichen Salzkern einzubringen, der sodann in einem Gießverfahren mit Metall oder Kunststoff umgossen wird. Nachfolgend wird der wasserlösliche Salzkern ausgespült und die Funktionsteile liegen bereits in der gewünschten Position und Funktion im Hohlformkörper vor.
Ein solcher Salzkern umfasst ein Bauteil, insbesondere ausgewählt aus Zahnrädern, Getriebeteilen, Achselementen oder Antriebselementen so in formschlüssiger Verbindung, dass beim Umguss kein Hintergießen mit Schmelze und keine Flitterbildung auftreten. Das Bauteil ist dabei ganz oder teilweise vom Salzkern umschlossen. In der Regel ragen aus dem Salzkern lediglich die Achsen oder Achslager hervor oder liegen an der Oberfläche des Salzkerns an.
Weiterhin zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren dadurch aus, dass der Formstoff ein pulverförmiges, körniges oder granuliertes Salz oder eine Mischung von Salzen mit runden, unregelmäßig geformten oder eckigen, splittrigen Kristallen ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt die Korngröße des kristallinen Salzes im Bereich von 0,01 mm bis 2 mm. Besonders bevorzugte Korngrößenbereiche liegen zwischen 0,01 bis 0,29 mm, zwischen 0,3 bis 1,3 mm und/oder zwischen 1,31 bis 2,0 mm, wobei die ersten beiden Fraktionen als eher feinkörniges Salz und die letzte Fraktion als eher grobkörniges Salz in multimodal zusammengesetzten Mischungen Verwendung finden können.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Formstoff schichtweise aufgetragen und mit einem kalt-, warm- oder heißhärtenden Binder beaufschlagt. Besonders bevorzugt wird der Formstoff mit dem Binder besprüht, so dass der Formstoff zu einem Salzkern/Körper entsprechend dem vorgegebenen Datenmodell verbunden wird. Der Binder wird ausgehärtet.
Ein weiteres bevorzugtes Verfahren sieht vor, dass der Formstoff, also insbesondere die kristallinen Salzpartikel, mit einem Härter umhüllt ist. Dieser mit einem Härter umhüllte Formstoff wird dann schichtweise auf einen Träger aufgetragen und mit einem Binder beaufschlagt. Auch hier umfasst die Beaufschlagung insbesondere das Besprühen mit einem Binder in vom Datenmodell vorgegebenen Bereichen.
Besonders bevorzugt können als Binder Harze aus der Gruppe der Phenol-, der Phenol-Harnstoff-Formaldehyd-, der stickstofffreien oder stickstoffarmen Phenol-Formaldehyd-, der furfurylalkoholhaltigen Phenol-, Furfurylalkohol-Harnstoff-Formaldehyd-, der Furan-, der phenol-modifizierten Furan-, der Amino-Harze, der Novolake oder der Resole verwendet werden, die flüssig oder fest eingesetzt werden können.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht als Binder wasserlösliche Silikatverbindungen, insbesondere Wassergläser, vor. Es können Wassergläser mit einem Wasserglasmodul von 1 bis 5 und/oder eine Mischung von Wassergläsern mit verschiedenen Wasserglasmodulen verwendet werden.
Wird ein zusätzlicher Härter verwendet, so liegt dessen Anteil vorzugsweise zwischen 0,5 und 30 Gew.-%, besonders bevorzugt zwischen 0,5 und 15 Gew.-%, bezogen auf die Masse des Binders.
Um eine komplette Aushärtung der so erzeugten Salzkerne oder auch eine Ausgasung von volatilen Bestandteilen von Binder und/oder Härter zu erreichen, kann es in bestimmten Fällen vorteilhaft sein, die Salzkerne in einem Ofen nach zu härten.
Zusammenfassend kann ein erfindungsgemäßes Verfahren nach dem besonders bevorzugten 3D-Drucken wie folgt aussehen, d.h. die folgenden Schritte umfassen:

– Erzeugen eines Datenmodells des herzustellenden Salzkerns;
– Aufbereiten eines Formstoffs aus Salzpartikeln, ggf. einem Binder und/oder ggf. einem Härter;
– Aufbringen einer dünnen Formstoffschicht auf einen verfahrbaren Träger;
– computergesteuertes Besprühen der Formstoffschicht mit einem Härter und/oder einem Binder in dem Datenmodell entsprechenden Bereichen;
– Verfahren des Trägers;
– erneutes Auftragen einer Formstoffschicht und Besprühen der Formstoffschicht, bis der erzeugte Salzkern dem Datenmodell entspricht;
– ggf. Nachhärten des Salzkerns in einem Ofen.

Claims

Salzkern zur Herstellung von Gussteilen, dadurch gekennzeichnet, dass der Salzkern einen schichtweisen Aufbau aufweist, wobei der schichtweise Aufbau aus einzeln aufgebrachten und verfestigten Schichten eines Formstoffs besteht.
Salzkern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Formstoff Salzpartikel, insbesondere kristallines Salz und/oder einen Binder umfasst.
Salzkerne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das kristalline Salz in einer unimodalen, bimodalen oder einer multimodalen Korngrößenverteilung enthalten ist, wobei das kristalline Salz bevorzugt Korngrößen im Bereich von 0,01 mm bis 2 mm aufweist, wobei das kristalline Salz insbesondere Korngrößen von 0,01 bis 0,29 mm, 0,3 bis 1,3 mm und/oder 1,31 bis 2,0 mm aufweist.
Salzkern nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Salzkern mindestens ein Bauteil, insbesondere ausgewählt aus Zahnrädern, Getriebeteilen, Achselementen oder Antriebselementen so in formschlüssiger Verbindung enthält, dass beim Umguss kein Hintergießen mit Schmelze und keine Flitterbildung auftreten, wobei das Bauteil ganz oder teilweise vom Salzkern umschlossen ist.
Salzkern nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Salzkern hohl ist, wobei das Innere des Salzkerns leer sein oder mit unverfestigtem Formstoff gefüllt sein kann.
Salzkern nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Salzkern mit einer wasserlöslichen Schlichte überzogen ist oder mit einer wasserlöslichen Salzschmelze infiltriert ist.
Verfahren zur Herstellung von Salzkernen, dadurch gekennzeichnet, dass die Salzkerne mittels eines generativen Fertigungsverfahrens, insbesondere mittels 3D-Druckens, hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Salzkerne aus einem Formstoff hergestellt werden, wobei als Formstoff Salzpartikel, bevorzugt kristallines Salz, verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Formstoff schichtweise aufgetragen und mit einem kalt-, warm- oder heißhärtenden Binder beaufschlagt, insbesondere besprüht, wird, und der Binder anschließend ausgehärtet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Binder ein Harz aus der Gruppe der Phenol-, der Phenol-Harnstoff-Formaldehyd-, der stickstofffreien oder stickstoffarmen Phenol-Formaldehyd-, der furfurylalkoholhaltigen Phenol-, Furfurylalkohol-Harnstoff-Formaldehyd-, der Furan-, der phenol-modifizierten Furan-, der Amino-Harze, der Novolake oder der Resole verwendet wird, welches entweder flüssig oder fest eingesetzt werden kann.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Binder wasserlösliche Silikatverbindungen, vorzugsweise Wassergläser, insbesondere Wasserglas mit einem Wasserglasmodul von 1 bis 5 und/oder eine Mischung von Wassergläsern mit verschiedenen Wasserglasmodulen, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Härters zwischen 0,5 und 30 Gew.-%, bevorzugt zwischen 0,5 und 15 Gew.-%, bezogen auf die Masse des Binders liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass nur eine Randschale verfestigt wird, so dass der entstehende Salzkern hohl ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der erzeugte Salzkern in einem Ofen nachgehärtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zum 3D-Drucken von Salzkernen die folgenden Schritte umfasst: – Erzeugen eines Datenmodells des herzustellenden Salzkerns; – Aufbereiten eines Formstoffs aus Salzpartikeln, ggf. einem Binder und/oder ggf. einem Härter; – Aufbringen einer dünnen Formstoffschicht auf einen verfahrbaren Träger; – computergesteuertes Besprühen der Formstoffschicht mit einem Härter oder einem Binder in dem Datenmodell entsprechenden Bereichen; – Verfahren der Trägerplatte; – erneutes Auftragen einer Formstoffschicht und Besprühen der Formstoffschicht, bis der erzeugte Salzkern dem Datenmodell entspricht; – ggf. Nachhärten des Salzkerns in einem Ofen.